大功率LED對水生動植物生長的影響

楊景發(fā) 杜明月 溫翠嬌 白 璐 國唯唯 郭建立 劉記祥

(1.河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北保定071002;2.河北格林光電技術(shù)有限公司，河北保定071051)

近年來，我國休閑、觀賞漁業(yè)發(fā)展勢頭強勁，已成為漁業(yè)發(fā)展中的一個新亮點，觀賞魚正“游”入尋常百姓家庭［1，2］。生態(tài)水族的主角是魚、水草，視覺欣賞是其主要功能。水族箱的照明系統(tǒng)起著決定性作用，LED被認為是未來主要的、理想的人工水生動植物補光光源，具有高亮度、波帶窄、節(jié)能、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點。因此，開展了單色LED對水生動植物影響的實驗研究，得到了LED在水族照明中的應(yīng)用原理及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

水生植物(金錢草、水葫蘆、香菇草、青絲紅葉、虎耳及紅蝴蝶)，水生動物(虎皮魚、紅箭魚、黑瑪利)，藻群;樣本取自河北大學(xué)和魚蟲市場。實驗光照條件由本課題研制的大功率LED光源提供。

LED(5W紅、藍、白、綠、黃、紫、紅藍);燒杯、培養(yǎng)皿、溫度計;自制水草缸、魚缸;微電腦時間控制器等;主要儀器有PMS-50光譜分析系統(tǒng)、LED626分布光度計、TES-1332A照度計、電子天平、NJ2-1正置式金相顯微鏡等。

1.2 實驗方法

1.2.1 單色LED光照對水生植物生長的影響［3，5］

試驗設(shè)置紅、白、綠、黃、藍、紅藍和紫光7種光照條件，各光源的光譜特性見表1。

表1 LED照明光源的主要光色電參數(shù)

將長勢相近，形態(tài)相似的水生植物的幼苗分為7組，每組4種(金錢草、水葫蘆、青絲紅葉、香菇草)，每種10株，分裝在21個燒杯中(燒杯中放入等量的相同品質(zhì)的蒸餾水);將7個試驗組分別用本研究設(shè)計的R、B、Y、G、W、R+B、UV 7種光照條件進行光照處理，無自然光照，各光源之間互不影響，光源懸掛高度為10cm，用微電腦定時裝置設(shè)置光照時段，時間為:每天6∶00～8∶00;10∶00～12∶00;14∶00～16∶00;18∶00～20∶00。

觀測指標(biāo):測定香菇草的葉片面積、株高、新增葉片數(shù)和側(cè)根數(shù);測定金錢草新增側(cè)根數(shù)和植株的高度，統(tǒng)計分析株高絕對增長量與相對增長量;測定青絲紅葉株高、節(jié)數(shù)和側(cè)根數(shù);測定水葫蘆莖粗、葉片面積和新增葉片數(shù)。

1.2.2 LED組合光源與熒光燈下水生植物生長的比較

將水生植物虎耳和紅蝴蝶分為2個試驗組，每組各10枝扦插于兩個水草缸內(nèi);分別用“R+B”光源和植物熒光燈進行光照處理，處理方式同(1);每周記錄每枝株高、葉片數(shù)、側(cè)芽數(shù)和側(cè)根數(shù)。

1.2.3 單色LED光照對魚生長的影響［4，6］

試驗設(shè)置6個試驗組，每個魚缸為一組，每組放入虎皮、紅箭、黑瑪利各10條，清道夫魚1條。每組水質(zhì)相同，增氧泵全天增氧，定期換水、藥物消毒。每天喂食1次，每次0.05克。6個試驗組的光照處理方法同(1)(無R+B模式)。

試驗開始后1min、5 min、10 min、20 min、1h、2h、4h觀察魚的光適應(yīng)狀況;于試驗的開始、20天、40天用自制方式測量每組魚的魚長度和魚的重量，分類統(tǒng)計，記錄魚長度的增長的平均值和魚體重增長的絕對和相對增加值;隨時觀察記錄水質(zhì)變化、魚的體色變化、生長狀況、生存能力，在每次觀察時，將死魚按其相同的種類和相當(dāng)?shù)闹亓考皶r地給予補充。

1.2.4 單色LED光照對綠色杜氏藻生長速率的影響［5］

試驗用綠色杜氏藻由河北大學(xué)生命科學(xué)院提供。錐形瓶經(jīng)煮沸消毒。用250mL錐形瓶取藻液若干，再加入BBM培養(yǎng)液，藻液與培養(yǎng)液的體積比為1∶3，然后在設(shè)定的試驗條件下進行培養(yǎng)，每天搖瓶數(shù)次。

試驗設(shè)置5個試驗組，分別置于本研究設(shè)計的R、B、Y、G、W光源下進行培養(yǎng)，每組設(shè)置3個重復(fù)，光照周期為12L∶12D，培養(yǎng)3d后取出，測定其生長速率。

1.2.5 紫外線對藻類棲息的影響

取一定量的藻類群，放置在培養(yǎng)皿中，加入BBM培養(yǎng)液，1d后，用顯微鏡察藻類群的種類;搖勻上培養(yǎng)液，分別吸取3ml藻細胞懸液置于7個小培養(yǎng)皿內(nèi)，再將培養(yǎng)皿置于距功率為15W的紫外燈源下20 cm處，分別照射0s、3 min、5 min、7 min、10 min、13 min、15 min、17 min、20 min，目視和顯微鏡觀察藻群變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 單色LED光照對水生植物生長的影響

單色大功率LED光照對水生植物金錢草、香菇草，青絲紅葉和水葫蘆株高、葉面積、葉數(shù)、節(jié)數(shù)以及側(cè)根生長的影響結(jié)果見表2。

實驗可知:不同光照下生長的四種水生植物幼苗生長有明顯差異，但對光照反應(yīng)的趨勢基本一致。經(jīng)紅、白光照射，金錢草和青絲紅葉的株高相對增長量大，而經(jīng)紫、黃光照射，金錢草的株高相對增長量小，水葫蘆的莖粗和香菇草的葉面積也表現(xiàn)同樣的結(jié)果;藍光處理香菇草長出新葉最多，而紫光最少;藍、紅光處理金錢草、青絲紅葉和香菇草側(cè)根長出較多，而紫光較少。

表2 不同光照條件對水生植物生長的影響

一般來說，葉片是植物進行光合作用最主要的器官，葉面積的大小決定了植物光合作用速率的大小。紅光可加速光合作用的速率，并增強葉綠素等細胞內(nèi)含物合成代謝，加快細胞分裂，這一光合作用調(diào)節(jié)機制與紅光作用下水草的生長速度有一定關(guān)系。另外，葉綠素對藍光和紅光的吸收作用比其他光波強，葉綠素a對640～660nm波長的紅光的吸收是430～450nm藍光的1.5倍，葉綠素b對藍光的吸收為紅光的3倍，兩種葉綠素的比值構(gòu)成了對光能的不同利用，兩種葉綠素對紅光和藍光的吸收起著互補的作用。綠色系水草以紅、藍光為宜，而紅色系水草以“近紫外線”的藍、綠光譜為主。

2.2 LED組合光源與熒光燈下水生植物生長的比較

實驗結(jié)果顯示，在株高、葉片數(shù)方面，兩種光源都有助于兩種水草的生長，但效果沒有顯著差異。然而在側(cè)芽數(shù)(圖1(1)，圖2(1))和發(fā)根數(shù)(圖1(2)，圖2(2))上，LED比螢光燈效果顯著，尤其在紅色的紅蝴蝶上特別明顯(圖2)，推測應(yīng)是目前使用的波長組合對于分生組織的刺激有較顯著的效果，值得后續(xù)進一步探討。

圖1 使用不同光源栽培紅蝴蝶((1)側(cè)芽數(shù)(2)發(fā)根數(shù))

圖2 使用不同光源栽培虎耳草((1)側(cè)芽數(shù)(2)發(fā)根數(shù))

2.3 單色LED光照對魚生長的影響

1) 魚對光的適應(yīng)性

實驗中發(fā)現(xiàn)，魚的趨光行為在初次受光時最為明顯，然后逐漸減弱。首次照射時，魚在缸中的分布發(fā)生了明顯的變化，紫光和藍光下魚都集中在靠近光源的水域，紅光和黃光下，魚都遠離光源的水域。綠光和白光下分布狀態(tài)沒有發(fā)生明顯的變化，仍分布得比較均勻。4h后再次進行觀察發(fā)現(xiàn)，各種光下魚的趨光性不十分明顯，分布接近自然光下形成的均勻分布的狀態(tài)。

實驗中還發(fā)現(xiàn)，黃光下魚很不活躍，經(jīng)常貼壁或水草邊上不動，紅光下魚格外活躍，游來游去，相互追逐。藍、紫光下魚不是很活躍。綠光和白光下魚的動態(tài)基本沒有發(fā)生什么變化。

2) 對魚生長的影響

不同光下，魚的生長速度不同，見表3。

表3 不同光照下魚體重、體長測量數(shù)據(jù)

根據(jù)實驗測得的結(jié)果，按不同光照下魚的體重、體長生長速率的快慢排列，體重依次為紅光、白光、藍光、綠光、黃光和紫光。體長依次為紅光、藍光、白光、綠光、黃光和紫光。

不同光下，魚的死亡結(jié)果見圖3。

圖3 單色LED處理下魚的死亡數(shù)

實驗可知:在紫光下魚的死亡率最高，黃綠光其次，而紅光、藍光和白光稍低。實驗還發(fā)現(xiàn)，死魚多發(fā)生在實驗的初期和每次換水后。紅箭魚共死亡16條，虎皮魚死9條，黒瑪利死11條，這與不同魚種對生長環(huán)境的適應(yīng)能力和其本身的生命力有關(guān)。

從總體看，對于光譜波長較短的光照環(huán)境，觀賞魚不是很適應(yīng)，隨著光譜波長的增加，魚的生長速度也逐漸提高。白光接近自然光，紅光在自然光的成分中占的比重較大，而生物體是長期在自然環(huán)境下生活、進化，使生物體最適合在全光譜的條件下生活。

2.4 單色LED光照對綠色杜氏藻生長速率的影響

R、B、Y、G、W光源下綠藻生長速率結(jié)果見圖4。

圖4 單色LED處理下綠藻的生長速率

實驗可知:白光和紅光下綠藻的生長速率較大，在黃光、綠光和藍光下的生長速率較緩慢，有的出現(xiàn)負生長。這與不同種類的藻對光的吸收不同有關(guān)。

2.5 紫外線對藻類棲息的影響

目視，開始前藻類均勻的分布在溶液中;20min后，外觀上細胞沉底，結(jié)塊，顏色由墨綠色變成灰綠色。顯微鏡下觀察，在0～13min，細胞蠕動較快，15～20min細胞蠕動變慢，乃至死亡。

3 結(jié)束語

通過實驗所得結(jié)論為水族照明燈具的設(shè)計提供了強有力的依據(jù)，可根據(jù)所得數(shù)據(jù)確定LED水族照明燈具的主光譜區(qū)，使其發(fā)射光譜與水生動植物的選擇性吸收相匹配，針對性強、光效高、顯色性好，能模擬自然光照條件，從而優(yōu)化照明系統(tǒng)，使得視覺效果更佳，水生物的生長加速，彌補目前水族箱的不足［7，8］。可以相信，通過深層次地不同光譜組合、不同光量子密度水平、不同頻率對觀賞魚和觀賞性水草生長的影響的實驗研究，將為今后水生動植物補光燈的研制提供參考數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

［1］張飲江，謝文博等．上海觀賞水族市場的現(xiàn)狀與展望［N］．水產(chǎn)科技情報，2008年35期:209～216．

［2］張金鋒．世界觀賞水草產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與展望［J］．世界農(nóng)業(yè)，2008(12):43～45．

［3］曾愛平，劉洪見，等．不同光照條件對水生植物生長的影響［J］．浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009．

［4］周顯青，牛翠娟，李慶芬．光照對水生動物攝食、生長和存活的影響［N］．水生生物學(xué)報，2000，24．

［5］嚴(yán)美姣，銀東，胡賢江．光照對小球藻、斜生柵藻生長速率及葉綠素含量的影響［N］．安徽農(nóng)學(xué)通報，2007，13(23)．

［6］楊世光，李學(xué)勇．LED有色光源在水生物生長中的作用和影響［N］．照明工程學(xué)報，2003，14(3)．

［7］韓淑清．觀賞水草的種類調(diào)查及栽培技術(shù)的研究［O］．浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文．

［8］廖祥儒，張蕾，徐景智等．光在植物生長發(fā)育中的作用［J］．河北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001，21(3):341～345．